康慧芬，徐 建，李曉靜，楊惠琳，張立忠

（1.寧夏寶塔化工中心實驗室（有限公司），寧夏銀川 750002；2.寧夏寶塔石化科技實業(yè)發(fā)展有限公司，寧夏銀川 750002）

由于氣候的變化、人口的增長、植被的破壞等外界因素的影響，使得土地承受的壓力過于沉重，土地荒漠化日益嚴(yán)重[1]。因此有效的預(yù)防和治理沙漠化是當(dāng)今世界急需解決的問題，而廉價、高效且環(huán)保的防沙治沙材料則成為人們關(guān)注的熱點[2]。用高分子聚合物來治理流沙和沙質(zhì)地表，可以使分散的、不定形的沙粒粘黏成為體積大的具有一定韌性且不容易被破壞的穩(wěn)定體[3]。本文采用溶液聚合法，以硼砂、尿素和聚乙烯醇接枝水溶性淀粉，制備出水溶性好、黏度大的一種生物質(zhì)接枝類固沙劑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試劑：聚乙烯醇、尿素、硼砂、可溶性淀粉、碳酸鈉等，均為分析純。

1.2 主要儀器

恒溫水浴鍋（天津市泰斯特儀器有限公司）；電子天平（北京恒順儀器儀表廠）；萬能材料試驗機（協(xié)強儀器制造（上海）有限公司）；差熱熱重分析儀（北京精儀高科儀器有限公司）；紅外光譜儀（上海航程光電科技有限公司）等。

1.3 試驗方法

稱取4.0 g聚乙烯醇于圓底燒瓶中，加入100 mL蒸餾水，在80℃水浴中加熱攪拌溶解，待聚乙烯醇完全溶解呈透明狀后，將溫度降低到50℃，依次加入硼砂0.1 g、尿素1.0 g和可溶性淀粉2.0 g，使其與聚乙烯醇在50℃恒溫水浴中聚合反應(yīng)1 h，然后配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的碳酸鈉溶液，調(diào)節(jié)溶液的pH值至8，降溫出料得到乳白色固沙劑乳液。

為使合成的固沙劑固沙效果顯著，本文研究了聚合溫度、反應(yīng)時間和pH對固沙劑性質(zhì)及應(yīng)用性能的影響。

1.4 工藝優(yōu)化

1.4.1 聚合溫度考察試驗 設(shè)計試驗的聚合溫度分別為40℃、50℃、60℃、70℃，綜合固沙劑產(chǎn)品的黏度、乳液的外觀以及抗壓強度等分析考慮，選出最佳的聚合溫度。

1.4.2 聚合時間考察試驗 一般而言，反應(yīng)時間越久，聚合效果越好。因此保持其他條件不變，設(shè)計聚合時間分別為 0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h，結(jié)合固沙劑產(chǎn)品黏度、乳液的外觀以及抗壓強度等因素綜合考慮，選出較佳的反應(yīng)時間。

1.4.3 pH的選擇 保持其他條件不變，設(shè)計pH分別為 6.0、7.0、8.0、9.0，結(jié)合固沙劑產(chǎn)品的黏度、乳液的外觀、放置穩(wěn)定性等因素綜合考慮，選出最合適的pH。

1.5 性質(zhì)表征

對制備的固沙劑的黏度、吸水性、紅外光譜、熱重等性質(zhì)進行測定。

1.5.1 紅外光譜分析 對合成固沙劑的反應(yīng)物和生成物進行紅外光譜分析，掃描范圍4000 cm-1～500 cm-1。

1.5.2 黏度分析 黏度的測量使用烏氏黏度計法[4]。通過測量樣品流經(jīng)毛細(xì)管的時間，計算出固沙劑的相對黏度。

1.5.3 吸水性測試 在玻璃片上滴取少量固沙劑乳液，70℃干燥后得到較平整的、厚度相同的薄膜，量取3片邊長為3 cm的正方形薄膜，稱其質(zhì)量記為m0。稱重后，在100 mL蒸餾水中浸泡1 h，待薄膜充分吸水后，再次稱重記為m1，計算吸水率Q[5]。

計算公式如下：

1.5.4 固沙劑的熱重分析 將已經(jīng)合成好的產(chǎn)品的乳濁液，平鋪在玻璃片上，使其具有均勻的厚度。將玻璃片放入70℃烘箱中烘干。然后稱取均勻厚度的膜片5 mg，使用熱重分析儀進行表征[6]。測量條件：升溫速率為10℃/min，測量范圍為室溫至800℃。

1.6 固沙劑的應(yīng)用性能研究

1.6.1 保水性測試 以1 L/m2的用量向1號沙樣噴灑自來水，向2至6號同質(zhì)量的沙樣以同樣量噴灑固含量分別為1%、2%、3%、4%、5%的固沙劑，70℃干燥至恒重，稱量記錄1～6號沙樣質(zhì)量；然后以1 L/m2的用量再向6個試樣噴灑同樣量的自來水后稱重，計算最初含水量。將1～6號試樣置于相同環(huán)境下日曬，每隔1 h對各個沙堆進行稱重，計算試樣的含水量，與未噴灑固沙劑的1號沙堆空白樣進行對照，根據(jù)各個樣品不同時間下含水量的變化，考察不同固含量的固沙劑的保水率情況。

1.6.2 抗風(fēng)蝕性測試 將不同固含量的固沙劑固化后的沙樣在自然條件風(fēng)干至恒重，稱重。模擬自然條件下刮風(fēng)的情況，將沙樣放置在吹風(fēng)機下方10 cm處，對沙樣進行1 h的吹風(fēng)，然后對該沙樣進行稱重。計算沙樣的質(zhì)量損失率作為抗風(fēng)蝕性參數(shù)。

1.6.3 耐水性測試 制備噴灑有不同固含量固沙劑的沙錐，自然干燥。然后按照10 L/m2的用量，噴灑自來水于沙錐表面，并觀察水分滲透情況和固結(jié)層的外觀，之后置于70℃烘箱中烘干至恒重，觀察固結(jié)層的恢復(fù)情況。如此重復(fù)進行干濕循環(huán)，測試3次噴淋循環(huán)后沙錐的質(zhì)量損失率。

1.6.4 抗壓性測試 稱量80 g粒徑在0.3 mm～0.8 mm范圍內(nèi)的沙粒，加入固沙劑乳液20 mL，攪拌均勻后加入圓柱形模具中壓實制成沙柱。在烘箱中70℃干燥24 h后取出，用萬能材料試驗機測量沙柱破碎時的最大抗壓強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 合成工藝參數(shù)的確定

2.1.1 聚合溫度考察結(jié)果 在只改變聚合溫度這一控制變量的條件下，研究溫度對固沙劑產(chǎn)品的影響。結(jié)果（見表1）。

表1 聚合溫度對產(chǎn)品的影響

由表1可知:產(chǎn)品的黏度隨著聚合溫度的升高先增大后減小，抗壓強度也是先增大后減小，因此綜合考慮選擇聚合溫度為60℃。

2.1.2 聚合時間考察結(jié)果 聚合反應(yīng)需要一定的時間，并且時間的增加會使反應(yīng)進行的更加充分，聚合效果會更好。反應(yīng)時間考察結(jié)果（見表2）。

由表2可知，產(chǎn)品的黏度隨著時間的增加先增大后減小，抗壓強度也隨之先增大后減小，1.5 h和1.0 h性質(zhì)和性能差別不大，結(jié)合能源消耗綜合考慮，最終選擇聚合時間為1.0 h。

表2 聚合時間對產(chǎn)品的影響

2.1.3 pH考察結(jié)果 保持聚合溫度為60℃，聚合時間為 1.0 h，調(diào)節(jié) pH 分別為 6.0、7.0、8.0、9.0，研究不同pH對固沙劑產(chǎn)品的影響。結(jié)果（見表3）。

表3 pH對產(chǎn)品的影響

由表3可知，當(dāng)pH大于8.0后，產(chǎn)品的黏度降低，乳液略泛黃色，并且有水乳分離現(xiàn)象出現(xiàn)。因此綜合考慮，最終確定pH為8.0。

2.2 固沙劑性質(zhì)研究

2.2.1 固沙劑紅外光譜表征 本試驗對相關(guān)物質(zhì)的紅外分析進行了測試，通過相關(guān)物質(zhì)特征峰來判斷接枝是否成功。

由圖1可見，固沙劑的紅外光譜曲線在3440 cm-1處有-OH 伸縮振動吸收峰，859 cm-1、763 cm-1、571 cm-1處有-CH2-搖擺振動吸收峰；1460 cm-1處有-NH-的變形振動峰?？梢?，固沙劑的譜圖中不僅保留了淀粉特征峰，還出現(xiàn)了其他反應(yīng)物特征峰，說明反應(yīng)物接枝成功。

圖1 紅外光譜圖

2.2.2 固沙劑黏度測試 用蒸餾水將所制成的固沙劑產(chǎn)品稀釋為不同固含量濃度的溶液，采用烏氏黏度計測量不同固含量的固沙劑乳液的黏度以及不同環(huán)境溫度下固沙劑黏度的變化情況。

圖2 不同固含量固沙劑乳液在25℃時的黏度

由圖2可知，當(dāng)固含量由1%增加到5%的過程中，黏度由 12.28 mPa·s增大到 79.96 mPa·s，樣品的黏度隨著固含量的增加而增大，這是由于溶液的黏度與相對分子質(zhì)量和乳液濃度相關(guān)，濃度增加，則相同體積內(nèi)的相對分子質(zhì)量增多，這將增強溶液內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻礙水分子的流動，從而增大表觀黏度。

圖3 5%固含量固沙劑乳液在不同溫度下的黏度

由圖3可知，樣品的黏度隨著溫度的增加而降低。溫度的升高會加快分子間的運動，減弱分子間的作用力，減弱溶液內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而降低黏度。由以上試驗可知，1%固含量固沙劑乳液的黏度為12.28 mPa·s，能夠滿足實際應(yīng)用中的黏結(jié)性需求。

2.2.3 固沙劑吸水性測試 對固沙劑進行吸水倍率測試，結(jié)果顯示該固沙劑吸水倍率可達1.47倍。

2.2.4 固沙劑熱重分析 從圖4 TG熱重曲線可以看出，在20℃～200℃曲線處于平行狀態(tài)，樣品基本無失重現(xiàn)象；在200℃～300℃，曲線明顯下降，此時樣品明顯失重，經(jīng)過一段時間后，至500℃曲線逐漸趨于平穩(wěn)，樣品完全分解。因此該產(chǎn)品在25℃～200℃熱性能穩(wěn)定，可以在自然環(huán)境里應(yīng)用。

2.3 固沙劑應(yīng)用性能

2.3.1 固沙劑保水性測試 模擬自然條件，運用稱重法將噴灑固沙劑的沙樣與噴灑水的空白沙樣進行對照試驗，根據(jù)含水量的變化，判斷固沙劑的保水能力。

表4 噴灑不同固含量固沙劑的沙樣含水量（%）的變化

由表4可知：隨著沙樣中固含量的增加，相同時間內(nèi)，沙樣的含水量增大。說明該固沙劑具有一定的吸濕保水性能，能夠減緩水分的蒸發(fā)。同時噴灑了固沙劑的沙堆固含量越高，沙堆的失水率越慢，保水性能越明顯。

圖4 固沙劑共聚物TG曲線圖

2.3.2 固沙劑抗風(fēng)蝕性測試 由圖5可知，沒有噴灑固沙劑的沙樣在風(fēng)力吹蝕的情況下，質(zhì)量損失最大，接近100%；而噴灑了固沙劑的沙樣，隨著固含量的增大，質(zhì)量損失逐漸減小。當(dāng)固含量＞4%時，沙樣基本無質(zhì)量損失。這是由于噴灑固沙劑后沙堆表面可以形成一層緊密的固結(jié)層，從而形成保護內(nèi)部顆粒不受吹蝕的屏障。且固沙劑固含量越高，乳液黏度越大，固沙劑的黏結(jié)作用越強，沙粒黏結(jié)所形成的固結(jié)層越堅固。

圖5 固沙劑抗風(fēng)蝕性曲線圖

表5 不同固含量固沙劑耐水性測試

2.3.3 固沙劑耐水性測試 由表5可知，隨著固沙劑固含量的增大，沙堆的滲水性逐漸減慢，固結(jié)層吸水松軟而不變形。這是由于隨著固含量的增加，固沙劑含有的高聚物濃度升高，黏度增大，增強了沙子與沙子間的粘黏性，形成固結(jié)層，從而減緩水分下滲，提升耐水性能。

2.3.4 固沙劑抗壓強度測試 將較優(yōu)條件下制備的固沙劑乳液稀釋成不同固含量，測試不同固含量固沙劑的黏度及沙洋的抗壓強度（見表6）。

表6 不同固含量固沙劑抗壓性測試

由表6可知，固沙劑的黏度和沙樣的抗壓強度隨著固含量的增大而增加。因為固沙劑乳液固含量增大，分子濃度增多使得乳液的平均分子質(zhì)量增大，乳液黏度增加，高聚物和沙粒之間及高聚物之間的粘結(jié)作用增強，表觀強度也隨之變大。當(dāng)固含量為1%時，沙樣的抗壓強度即大于1 MPa，能夠滿足在實際應(yīng)用中抗壓強度的需求。

3 結(jié)論

（1）通過試驗，對發(fā)生聚合反應(yīng)的溫度、時間以及pH的工藝條件進行了優(yōu)化，得到最終相對較優(yōu)的合成條件為：反應(yīng)溫度60℃、反應(yīng)時間1 h、pH為8.0。

（2）對制備的固沙劑進行黏度、吸水率、紅外、差熱性能分析。結(jié)果表明:該固沙劑乳液黏度較大且水溶性好，可以和自來水以任意比例稀釋后噴灑使用；固化后材料的吸水性強，具有明顯的吸濕保水作用，利于植物生長；熱性能穩(wěn)定，能夠滿足沙漠等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用需求。

（3）對固沙劑的保水性、抗風(fēng)蝕、耐水性、抗壓性進行研究。結(jié)果表明：所制備的固沙劑有較強的保水性，抗風(fēng)蝕性、耐水蝕性和抗壓性都能夠滿足實際固沙中的應(yīng)用需求。

綜上所述，本文合成的固沙劑以淀粉作原料，成本低廉易得，具有生物降解性能；黏度大，水溶性好，稀釋后噴灑使用方便；且吸濕保水性好，固沙和抗侵蝕性能優(yōu)良，與生物固沙結(jié)合使用前景可觀。